大氣科學(xué)概論

1、大氣科學(xué)概述大氣科學(xué)是研究大氣的各種現(xiàn)象及其演變規(guī)律，以及如何利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門學(xué)科。大氣科學(xué)是地球科學(xué)的一個組成部分。它的研究對象主要是覆蓋整個地球的大氣圈，此外也研究太陽系其他行星的大氣。     大氣圈，特別是地球表面的低層大氣，以及和它相關(guān)的水圈、巖石圈、生物圈是人類賴以生存的主要環(huán)境。如何認識大氣中的各種現(xiàn)象，如何及時而又正確地預(yù)報未來的天氣、氣候，并對不利的天氣、氣候條件進行人工調(diào)節(jié)和防御，是人類自古以來一直不斷探索的領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，大氣科學(xué)在國民經(jīng)濟和社會生活中的巨大作用日益顯著，其研究領(lǐng)域已經(jīng)越出通常所稱的氣

2、象學(xué)的范圍。大氣科學(xué)簡史    大氣科學(xué)是一門古老的學(xué)科，有關(guān)天氣、氣候知識起源于長久的生產(chǎn)勞動和社會生活的經(jīng)驗之中。早在漁獵時代和農(nóng)業(yè)時代，人們就逐漸積累起有關(guān)天氣、氣候變化的知識。中國在公元前2世紀見于淮南子·天文訓(xùn)和逸周書·時訓(xùn)解的二十四節(jié)氣和七十二候，就是從生產(chǎn)和生活實踐中總結(jié)出來的，它又被用來指導(dǎo)農(nóng)事活動。    17世紀以前，人們對大氣以及大氣中各種現(xiàn)象的認識是直覺的、經(jīng)驗性的。1718世紀，由于物理學(xué)和化學(xué)的發(fā)展，溫度、氣壓、風(fēng)和濕度等測量儀器的陸續(xù)發(fā)明，氮、氧等元素的相繼發(fā)現(xiàn)，為人類定量地認識大氣的組成、大氣的運動等創(chuàng)

3、造了條件。于是，大氣科學(xué)研究開始由單純定性的描述進入了可以定量分析的階段。這是大氣科學(xué)發(fā)展進程中的一次飛躍。    1820年，在氣壓、溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素的測定和氣象觀測站網(wǎng)逐步建立的條件下，布蘭德斯繪制了歷史上第一張?zhí)鞖鈭D，開創(chuàng)了近代天氣分析和天氣預(yù)報方法，為大氣科學(xué)向理論研究發(fā)展開辟了途徑。這是大氣科學(xué)發(fā)展史上的又一次飛躍。    1835年科里奧利力的概念和1857年白貝羅提出的風(fēng)和氣壓的關(guān)系，成為地球大氣動力學(xué)和天氣分析的基石。1920年前后，氣象學(xué)家皮耶克尼斯，索爾貝格和伯杰龍等提出的鋒面、氣旋和氣團學(xué)說，為天氣分析和預(yù)報12天以后的天氣

4、變化奠定了理論基礎(chǔ)。    1783年，法國查理制成了攜帶探測氣象要素儀器的氫氣氣球。20世紀30年代無線電探空儀開始普遍使用，這就能夠了解大氣的鉛直結(jié)構(gòu)，真正三度空間的大氣科學(xué)研究從此開始。根據(jù)探空資料繪制的高空天氣圖，發(fā)現(xiàn)了大氣長波。1939年氣象學(xué)家羅斯比提出了長波動力學(xué)，并由此引出了位勢渦度理論。這不僅使有理論依據(jù)的天氣預(yù)報期限延伸到34天，而且為后來的數(shù)值天氣預(yù)報和大氣環(huán)流的數(shù)值模擬開辟了道路。    1946年朗繆爾、謝弗和馮內(nèi)古特的“播云”試驗，探明了在過冷云中播撒固體二氧化碳或碘化銀，可以使云中的過冷水滴冰晶化，增加云中的冰晶數(shù)目，促進降

5、水，從此進入了人工影響天氣的試驗階段。    20世紀50年代以前，大氣科學(xué)雖然取得了很大的進展，但因受海洋、沙漠等人煙稀少地區(qū)缺乏資料的限制以及計算上的困難，還不能擺脫定性或半定性的研究狀態(tài)。50年代以后，由于各種新技術(shù)特別是電子計算機和氣象衛(wèi)星的采用，大氣科學(xué)有了突飛猛進的發(fā)展。    由于采用氣象衛(wèi)星、氣象火箭和激光、微波、紅外等遙感探測手段以及各種化學(xué)痕量分析手段等新技術(shù)，對大氣的觀測能力增強了，觀測空間擴展了。如赤道上空五個地球同步衛(wèi)星和兩個極軌衛(wèi)星幾乎能提供全球大氣同時間的情況，不再存在氣象資料的空白地區(qū)。    氣象衛(wèi)星

6、、新型氣象雷達、飛機等探測手段聯(lián)合應(yīng)用，為開展各種規(guī)模的綜合觀測試驗，為早期發(fā)現(xiàn)和追蹤臺風(fēng)及生命史短至幾小時的小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，為提高短期和短時預(yù)報水平，以及改進中期預(yù)報提供了條件。氣象衛(wèi)星在大氣層外探測大氣，不僅加大了觀測范圍，而且極大地豐富了觀測內(nèi)容，如廣闊洋面的溫度、云的微觀結(jié)構(gòu)、大氣的輻射平衡等。氣象衛(wèi)星已成為現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的支柱之一。    電子計算機的使用，使大氣科學(xué)研究進入了定量和試驗研究的新階段。大氣的各種現(xiàn)象，大至全球的大氣環(huán)流，小至雨滴的形成過程，都可以依照物理和化學(xué)原理以數(shù)學(xué)形式表達，然而只有用電子計算機才可能進行運算并模擬這些現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展和

7、消亡的過程。    此外，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類往往需要了解幾星期、幾個月甚至一年以上大氣可能出現(xiàn)的狀態(tài)。這也需依靠高速計算機獲取和處理全球資料，以全球模式來進行天氣預(yù)報和氣候預(yù)報。電子計算機是現(xiàn)代大氣科學(xué)發(fā)展的另一個支柱?？梢灶A(yù)期下一代甚至再下一代最大的電子計算機將首先用于大氣科學(xué)。大氣科學(xué)的內(nèi)容    覆蓋整個地球的大氣，質(zhì)量約五千三百萬億噸，約占地球總質(zhì)量的百萬分之一。由于地心引力的作用，大氣質(zhì)量的90%聚集在離地表15公里高度以下的大氣層內(nèi)，99.9%在48公里以內(nèi)。2000公里高度以上，大氣極其稀薄，逐漸向星際空間過渡，無明顯上界。 

8、  大氣本身的可壓縮性、太陽輻射、地球的形狀和它的重力、地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)、地球表面的海陸分布和地形起伏、地球的演化和地球生態(tài)系統(tǒng)等是造成地球大氣特定組分、特定結(jié)構(gòu)和特定運動狀態(tài)的主要自然條件。人類活動及其對生態(tài)因素所起的作用，是影響大氣組分、大氣結(jié)構(gòu)和大氣運動的人為條件。    地球大氣的組分以氮、氧、氬為主，它們占大氣總體積的99.96%。其他氣體含量甚微，有二氧化碳、氪氖、氨、甲烷、氫、一氧化碳、氙、臭氧、氡、水汽等。大氣中還懸浮著水滴、冰晶、塵埃、孢子、花粉等液態(tài)、固態(tài)微粒。太陽系的九大行星，都存在大氣。    地球大氣中的氧氣是人類賴以

9、生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，氧氣的出現(xiàn)及其含量的變化，同地球的形成過程和生物的演化過程密切相關(guān)。大氣中的水汽來自江河、湖泊和海洋表面的蒸發(fā)，植物的散發(fā)，以及其他含水物質(zhì)的蒸發(fā)。在夏季濕熱處，大氣中水汽含量的體積比可達4%，而冬季干寒處(如極地)，則低于0.01%。水汽隨著大氣溫度發(fā)生相變，成云致雨，成為淡水的主要資源。    水的相變和水文循環(huán)過程不僅把大氣圈同水圈、巖石圈、生物圈緊密地聯(lián)系在一起，而且對大氣運動的能量轉(zhuǎn)換和變化有重要影響。大氣中的二氧化碳含量受植物的光合作用、動物的呼吸作用、含碳物質(zhì)的燃燒以及海水對二氧化碳的吸收作用所影響，化石燃料(如煤。石油、天然氣)燃量增加，森林

10、覆蓋面積減少的情況下，已觀測到二氧化碳含量與年俱增。大氣中本來沒有或極少存在的如甲烷、一氧化二氮等氣體，由于人類活動的影響，近年來它們的含量也迅速增加。這些有溫室效應(yīng)的氣體含量的變化對大氣溫度的重要影響，已成為研究現(xiàn)代氣候變化的一個前沿課題。    大氣中臭氧的含量極少，即使在離地表2030公里的濃度最大處，其含量也不到這層大氣的十萬分之一，然而大氣臭氧層能夠大量吸收太陽紫外輻射中對生命有害的部分，對人類起著十分重要的保護作用。另外，大氣臭氧層的存在，對平流層大氣的溫度也有重要作用。由于人類活動對高空光化學(xué)過程的影響會引起臭氧含量的變化，人類活動對臭氧含量影響的研究，已成為

11、醫(yī)學(xué)界和氣象學(xué)界共同關(guān)注的問題。    地球大氣的密度、溫度、壓力、組分和電磁特性等都隨高度而變化，具有多層次的結(jié)構(gòu)特征。大氣的密度和壓力一般隨高度按指數(shù)律遞減；溫度、組分和電磁特性隨高度的變化不同，按各自的變化特征可分為若干層次。    地球大氣按溫度隨高度的變化，由地表向上，依次分為對流層、平流層、中層和熱層。對流層緊鄰地表，其中溫度隨高度增加而降低，平均每升高1公里約減少6.5，至對流層頂溫度降到極小值。對流層中的對流運動顯著，是熱量鉛直輸送的主要控制因子，云和降水主要發(fā)生在這一層。對流層頂?shù)母叨仍诔嗟赖貐^(qū)約18公里，中緯度地區(qū)約12公里，極地地區(qū)

12、約8公里。    平流層位于對流層之上，平流層頂高地表約50公里。平流層中的臭氧層吸收太陽紫外輻射，是使這層大氣溫度隨高度增加而上升的主要因子。這層大氣溫度層結(jié)非常穩(wěn)定，其中的熱量輸送以輻射傳輸為主。    中層位于平流層之上，中層頂離地表約85公里，層內(nèi)溫度隨高度增加而下降。熱層位于中層之上，熱層頂離地表約500公里。這層大氣由于吸收太陽紫外輻射，溫度隨高度增加而上升。熱層頂以上為外逸層，那里大氣已極稀薄，每立方厘米不到一千萬個原子(海平面處每立方厘米約一百億億個原子)。    地球大氣按組分狀況可分為勻和層和非勻和層。高地表約35

13、公里高度以下為勻和層，層內(nèi)的大氣組分比例相同，平均分子量為常數(shù)。約110公里高度以上為非勻和層，層內(nèi)大氣組分按重力分離后，輕的在上，重的在下，平均分子量隨高度增加而減小。離地表95110公里為勻和層到非勻和層的過渡層。    地球大氣按電磁特性可分為中性層、電離層和磁層。由地表向上到60公里高度為中性層。離地表60公里到 5001000公里高度為電離層。離地表5001000公里以上為磁層。電離層能反射無線電波，對電波通信極為重要。磁層是地球大氣的最外層，磁層頂是太陽風(fēng)動能密度和地磁場能密度相平衡的曲面。    地球大氣的運動非常復(fù)雜。地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運動

14、以及地球自轉(zhuǎn)軸的方向產(chǎn)生了地球上的晝夜交替、四季變化和溫度自赤道向兩極遞減的規(guī)律。由于海陸分布和地貌等的不均勻性，地表的溫度并不完全按緯圈帶分布，而呈現(xiàn)出非帶狀的不均勻分布。    整個大氣圈通過各種機制相互緊密地聯(lián)系在一起，形成了空間尺度小至幾米以下、大至幾千公里甚至上萬公里，時間尺度短至幾秒、長至數(shù)十天或更長時間的多種大氣運動系統(tǒng)。在影響大氣運動的因素中，人為的因素在變化著(如工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起大氣中有溫室效應(yīng)的氣體增加，大面積森林砍伐等)，自然的因素也在變化著(如火山爆發(fā)等引起輻射能的變化，地球自轉(zhuǎn)軸方向的變化等)。大氣的運動也就呈現(xiàn)出既有規(guī)律性又有隨機性的特點。

15、0;   大氣科學(xué)的研究對象地球大氣，無論它的組分，它的結(jié)構(gòu)，還是它的運動，都存在著確定性和不確定性兩個方面。這正是大氣科學(xué)研究復(fù)雜性的一面。    大氣圈以外，還存在著水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈這些圈層組成一個綜合系統(tǒng)。大氣圈中發(fā)生的各種變化都受其他圈層的影響；反之，大氣圈也影響著其他圈層的變化。研究大氣運動的能源，大氣中的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和變化過程，大氣環(huán)流及天氣、氣候的分布和變化，都必須考慮大氣圈同水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈之間的相互影響和相互作用。    大氣圈不是孤立的，在空間和時間上具有寬廣尺度譜的各種大氣現(xiàn)象也不是孤立的。它

16、們種類繁多，相互疊加又相互影響。即使同一類現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)也不盡相同。影響這些大氣現(xiàn)象的因素非常復(fù)雜，人類至今還很難在實驗室內(nèi)用人工控制的方法對它們進行完整的實驗和研究。只能以大自然為實驗室，組織從局地到全球的氣象觀測網(wǎng)，運用多種觀測手段對大氣現(xiàn)象進行長期的連續(xù)的觀測，特別是定量的觀測，以獲取資料；對有關(guān)氣候現(xiàn)象還需搜集地質(zhì)考查、考古發(fā)掘和歷史文獻等資料。    大氣科學(xué)家們通過對大量資料的分析和綜合，提煉出量與量之間的定性的或定量的關(guān)系，歸納出典型現(xiàn)象的模式特征，如鋒面、氣旋、大氣長波等。在模式的基礎(chǔ)上運用已知的物理學(xué)和化學(xué)的基本原理，以及數(shù)學(xué)工具和計算技術(shù)進行理論上的演繹和

17、模擬，導(dǎo)出新的結(jié)論。理論模式是否合理，還需回到大自然的實驗室中進行檢驗，有些理論模式還有待于新的觀測資料加以證實。    全球大氣在不停地運動著，而且是一個整體。為掌握大氣運動變化快、范圍廣、形式多的特征，就必須對大氣進行連續(xù)的、高頻率的、全球性的觀測。全球數(shù)以萬計的為天氣預(yù)報進行觀測的氣象站，要在相同的時間、用接近相同的儀器和觀測方法，在全球各地進行同步觀測；由氣象衛(wèi)星、氣象雷達等探測手段觀測的大量資料，凡用于天氣預(yù)報業(yè)務(wù)的資料還要作同步處理。    這些資料都要在觀測完畢后的短短數(shù)十分鐘內(nèi)迅速集中到世界氣象中心和各國的氣象中心。再加上為數(shù)更多的水文氣

18、象站的觀測資料。資料的范圍之大、數(shù)量之多、傳遞之快是驚人的，這是自然科學(xué)中的奇觀。這一切只有通過國際間的密切合作才能實現(xiàn)。大氣科學(xué)的分支學(xué)科    大氣科學(xué)的分支學(xué)科主要有大氣探測、氣候?qū)W、天氣學(xué)、動力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣化學(xué)、人工影響天氣、應(yīng)用氣象學(xué)等。   大氣探測是一門研究探測地球大氣中各種現(xiàn)象的方法和手段的學(xué)科。按探測范圍和探測手段劃分，大氣探測有地面氣象觀測、高空氣象觀測、大氣遙感、氣象雷達、氣象衛(wèi)星等次一層分支。探測手段的飛躍往往帶來以往難以預(yù)計的重大發(fā)現(xiàn)，在大氣科學(xué)的發(fā)展進程中，大氣探測起了十分重要的作用。   氣候

19、學(xué)是一門研究氣候的特征、形成和演變以及氣候同人類活動相互關(guān)系的學(xué)科。研究內(nèi)容主要包括氣候特征、氣候分類、氣候區(qū)劃、氣候成因、氣候變化、氣候與人類活動的關(guān)系、氣候預(yù)報和應(yīng)用氣候等。電子計算機的采用，促進了對氣候變化物理因子和氣候模擬的研究，氣候預(yù)測已不再是虛無縹緲的難題，而已成為一個具有戰(zhàn)略意義的課題了。   天氣學(xué)是一門研究大氣中各種天氣現(xiàn)象發(fā)生發(fā)展的規(guī)律以及如何應(yīng)用這些規(guī)律來制作天氣預(yù)報的學(xué)科。研究內(nèi)容主要包括天氣現(xiàn)象、天氣系統(tǒng)、天氣分析和天氣預(yù)報等。氣候?qū)W和天氣學(xué)研究的成果，不但為大氣科學(xué)提供豐富的研究課題，而且還直接為國民經(jīng)濟服務(wù)。   動力氣象學(xué)

20、是一門應(yīng)用物理學(xué)和流體力學(xué)定律及數(shù)學(xué)方法，研究大氣運動的動力和熱力過程及其相互關(guān)系的學(xué)科。研究內(nèi)容主要包括大氣熱力學(xué)、大氣動力學(xué)、大氣環(huán)流、大氣湍流、數(shù)值天氣預(yù)報和數(shù)值模擬等，動力氣象學(xué)的發(fā)展對更深刻地認識大氣運動的機理、掌握天氣和氣候變化的規(guī)律有十分重要的作用，它是大氣科學(xué)的理論基礎(chǔ)學(xué)科。   大氣物理學(xué)是一門研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過程及其該變規(guī)律的學(xué)科。研究內(nèi)容主要包括云和降水物理學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、大氣聲學(xué)、大氣輻射學(xué)等。大氣物理學(xué)也是大氣科學(xué)中的理論基礎(chǔ)學(xué)科。50年代以后，也有人把動力氣象學(xué)包括在內(nèi)都稱為大氣物理學(xué)。   大氣化學(xué)是一門研究

21、大氣組成和大氣化學(xué)過程的學(xué)科。研究內(nèi)容主要包括大氣微量氣體及其循環(huán)、大氣氣溶膠、大氣放射性物質(zhì)和降水化學(xué)等。    人工影響天氣，研究如何通過影響云和降水的微物理過程使某些大氣現(xiàn)象、大氣過程發(fā)生改變的技術(shù)和方法。如人工降水、人工防雹、人工消霧等。人工影響天氣是人類改造自然的一個組成部分。   應(yīng)用氣象學(xué)是將氣象學(xué)的原理、方法和成果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文、航海、航空、軍事、醫(yī)療等方面，同各個專業(yè)學(xué)科相結(jié)合而形成的邊緣性學(xué)科，也是充分開發(fā)利用氣候資源的重要領(lǐng)域。    大氣科學(xué)的各個分支學(xué)科彼此不是孤立的，如天氣學(xué)和氣候?qū)W與動力氣象學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)

22、生了天氣動力學(xué)和物理動力氣候?qū)W。    探測手段的不斷革新和痕量化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，推動了對大氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的分析研究，促進了大氣化學(xué)的發(fā)展。尤其是大氣中二氧化碳和甲烷等微量氣體對氣候影響的日益顯著，以及大氣污染和酸雨問題的出現(xiàn)，不僅使人們更加認識到大氣化學(xué)在大氣科學(xué)中的重要性，而且隨著研究的深入，更認識到大氣化學(xué)過程和大氣物理過程的相互作用，從而促進了這兩個分支學(xué)科的相互結(jié)合。大氣科學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系    大氣科學(xué)在很長的歷史發(fā)展過程中，先是以氣候?qū)W、天氣學(xué)、大氣的熱力學(xué)和動力學(xué)問題，以及大氣中的物理現(xiàn)象(如電象、光象、聲象)和比較一般的化學(xué)現(xiàn)象等為主要研究內(nèi)容，傳統(tǒng)稱之為“氣象學(xué)”。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在氣象學(xué)中的應(yīng)用，其研究范疇日益擴展，因而從20世紀60年代以來，“大氣科學(xué)”術(shù)語的應(yīng)用日益廣泛，它大大擴充了傳統(tǒng)氣象學(xué)的研究內(nèi)容。    近年來，由于人類越來越認識到大氣圈與水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈之間相互作用和相互影響的重要性，要了解大氣變化過程